К вопросу о расчете воздушно-тепловых завес

А. С. Стронгин, канд. техн. наук;

М. В. Никулин, канд. техн. наук, ОАО «ЦНИИПромзданий», ООО «НПО ТЕРМЭК»

В открытом проеме существует разность давлений между внутренним и наружным воздухом (DР). Разность давлений обусловлена разностями температур наружного и внутреннего воздуха, влиянием ветра и несбалансированностью механической вентиляции.

Расход воздуха в проеме определяется перепадом давления и сопротивлением проема проходу воздуха (коэффициент расхода проема m_о). Назначение воздушной завесы — сократить расход воздуха, проходящего в проем, и обеспечить заданную температуру этого воздуха. Сокращение расхода наружного воздуха при действии завесы можно выразить значением коэффициента расхода воздуха m_пр. Струя воздушной завесы, выходящей под углом a к плоскости проема, создает противодавление в проеме, где формируется сложная картина течения.

В зависимости от соотношения начального импульса струи завесы, ее теплосодержания, геометрии проема и разности давления в проеме устанавливается тот или иной воздушно-тепловой баланс между помещением и наружным воздухом.

Задачей аналитического изучения воздушной завесы является определение закономерностей, позволяющих рассчитывать тепло-, массообмен в проеме ворот.

Наиболее полное исследование воздушных завес было выполнено В. М. Эльтерманом [2], который разработал метод расчета воздушно-тепловых завес, проверенный экспериментально и вошедший в практику проектирования [3]. Основой данного метода стало применение закона сохранения количества движения для контура, выходящего за пределы проема ворот, с тем чтобы учесть силы реакции наружных ограждений (рис. 1).

Рисунок 1. К применению уравнения количества движения по В. М. Эльтерману [2]: А, Б, В, Г, Д, К, М, Н — выделенный контур; Р1, Р2 — давление воздуха внутри и снаружи ворот; Rc — среднее реактивное давление стены; a — угол выпуска струи воздушно-тепловой завесы

В. М. Эльтерманом получена расчетная зависимость для коэффициента расхода m_пр в виде функции параметров завесы, характеристик проема и разницы давлений между внутренним и наружным воздухом.

Зависимость была проверена экспериментально на физических моделях [4] в широком диапазоне изменяемых параметров. В качестве примера на рис. 2 приведены опыты для одного соотношения площади щелей завесы к площади проема.

Причиной разработки В. М. Эльтерманом метода расчета, основанного на законах сохранения, были те обстоятельства, что большинство «кинематических» и «динамических» методов [5—10] не подтверждались в экспериментах и давали, как правило, завышенную эффективность работы завесы (табл. 1) [2].

В последние годы метод В. М. Эльтермана был усовершенствован в ОАО «ЦНИИПромзданий». В частности, разработаны завесы различных аэродинамических схем с учетом зависимостей для профиля температур и тепло-, массообмена в приструйных циркуляционных зонах [11—13]. Разработанные методики неоднократно обсуждались на конференциях и семинарах, включены в современные справочные пособия [3, 14, 15].

В статье [1], как и в ряде предшествующих работ [5–10], метод расчета воздушно-тепловых завес базируется на нахождении траектории струи завесы, изогнутой под действием поперечного потока. Кроме того, предполагается, что все присоединенные струей завесы массы холодного наружного воздуха поступают в помещение.

Достаточным условием соблюдения такого режима течения, по мнению автора статьи, опубликованной в журнале «АВОК» [1], является прохождение наружной границы или оси струи (в [1] не уточняется) через определенную точку и нахождение величины средней скорости воздуха в «конце струи» в пределах 2—3 м/с. При этом автор считает, что автоматически соблюдается такой баланс теплоты в проеме ворот, при котором отсутствуют как теплопотери с уходящим наружу воздухом, так и поступления холода с прорывающимися помимо струи массами наружного воздуха.

Рисунок 2. График зависимости коэффициента расхода воздуха через ворота, защищенные завесой, mпр от величины q для односторонней и двусторонней завес с одинаковой площадью щели Fщ/Fв = 1/30 и a = 45°: 1 — кривая для односторонней завесы; 2 — кривая для двусторонней завесы; q = относительный расход воздуха; q = Gз/Gпр; Gз — начальный расход воздуха в завесе; Gпр — расход воздуха, входящий в проем ворот

По нашему мнению, струя воздушной завесы не является аналогом свободной струи, поэтому задание средней скорости на участке разворота и взаимодействия с ограждениями (или встречной струей при двухсторонней завесе) не характеризует реальную картину течения. Тепло- и массообмен в проеме определяется не геометрическими построениями траектории оси или границ струи, а законами сохранения массы, теплоты и количества движения в зоне проема. Принципиальным условием является соблюдение закона сохранения импульса в зоне проема, включающего наружные ограждения (рис. 1).

Экономически оптимальной является воздушно-тепловая завеса, обеспечивающая санитарные нормы при минимуме приведенных затрат. Как показали расчеты [16], в зависимости от типа здания, параметров наружного климата, соотношения тарифов на тепловую и электрическую энергию, экономически оптимальной оказывается завеса, в которой только часть присоединенных масс наружного воздуха входит в проем (табл. 2). В том числе оптимальным может быть случай, когда в проем ворот входит только начальный расход завесы (без присоединенного наружного воздуха). Таким образом, предпосылка [1] о поступлении всей массы присоединенного снаружи воздуха в помещение в большинстве случаев не гарантирует экономически оптимальную воздушно-тепловую завесу.

Что касается предлагаемых автором [1] расчетных зависимостей, то некоторые из них противоречат общепринятым представлениям о воздушно-тепловом режиме здания, например, формулы для скорости поперечного потока в виде зависимости от скорости ветра V_в и поправочного коэффициента  на герметичность зданий, или в виде зависимости от m_пр и DР.

Для расчета автор принимает формулу для скорости поперечного потока в виде . Из этой формулы следует, что единственный фактор, влияющий на траекторию струи завесы, — это ветер, следовательно, гравитационная составляющая перепада давлений не учитывается.

В качестве экспериментального обоснования своего метода автор приводит сопоставление расчетных траекторий и средних температур воздуха в струях завесы с неопубликованными теплограммами струй завесы GEA Viento.

Из двух приведенных в статье термограмм видно наличие теплопотерь с уходящим из помещения воздухом струи, и таким образом, они не могут подтвердить адекватность выбранной в [1] модели. По сопоставлениям траекторий нельзя количественно оценить тепло-, массообмен струи. Среднюю температуру воздуха по теплограмме можно определить только как среднюю по площади, что для случая струи с неравномерным полем скоростей некорректно. Таким образом, по нашему мнению, экспериментальное обоснование предложенного метода отсутствует. Количественно сопоставить результаты расчетов по данному методу с существующим методом по таким основным параметрам, как шиберующий эффект и теплопотери впрямую, не представляется возможным: мы попытались проанализировать численно рассмотренные в статье примеры расчета.

Повторить расчеты по обсуждаемому методу для примера из табл. 3 статьи [1] нам не удалось, поскольку неизвестно, какую величину V_ср принял автор. При решении обратной задачи мы получили следующие величины: начальная скорость струи U_o=12,35 м/с; относительная величина q_c=0,4 и средняя скорость в конце струи V_ср=3,17 м/с. При этом длина осевой линии L=1,67 м, относительная скорость ветра V=0,0526; v=0,65 м/с и скорость ветра V_в=1,87 м/с, хотя в исходных данных скорость ветра принята 5,5 м/с.

Для примера в табл. 4.2 статьи [1] приведены некорректные результаты. Для расхода воздуха через одну стойку 6 025 м³/ч, при ширине щели 91 мм и высоте щели 3,5 м скорость выпуска воздуха должна быть 5,2 м/с, а у автора приведена 12,2 м/с.

Рассмотрим расход завесы при изменении скорости ветра или наружной температуры. Для условий примера из табл. 3 [1] при измерении скорости ветра от 0 до 10 м/с (V_ср принята равной 3,17 м/с) расход воздуха на завесу по существующему методу увеличивается пропорционально увеличению  соответственно в 3,78 раза, а по предлагаемому автором методу только в 2,05 раза.

Для этого же примера при скорости ветра v_в=5,5 м/с при изменении наружной температуры от 0 до –40 °С расход воздуха на завесу по существующему методу изменяется в 1,13 раза, а по обсуждаемому методу в 4,16 раза.

Расчет завес, приведенный в [1], приводит, как правило, к устройству завес с меньшей (в 1,7 раза) воздухопроизводительностью по сравнению с существующим методом. При этом, по нашему мнению, вероятен прорыв наружного воздуха, снижение температуры смеси воздуха, входящей в помещение, ниже нормируемой и дополнительная тепловая нагрузка на систему отопления.

Таким образом, по нашему мнению, экономия, которая следует из обсуждаемого метода, в конечном итоге приводит к перерасходу теплоты на обогрев здания и не обеспечивает требуемых параметров воздуха вблизи ворот.

Выводы

1. Предлагаемая в обсуждаемой статье методика расчета воздушно-тепловых завес, на наш взгляд, некорректна, поскольку процесс тепло-, массообмена в проеме ворот при работе завесы не исследуется, а априори задается, а условия соблюдения заданных картин течения не обоснованы. Полученные зависимости противоречат физическим закономерностям и приводят к необоснованному завышению эффективности завесы. Использование данной методики приведет к несоблюдению санитарных норм и перерасходу топливно-энергетических ресурсов на отопление здания, что противоречит общей концепции энергосбережения.

Литература

1. Дискин М. Е. К вопросу о расчете воздушных завес // АВОК. 2003. № 7. С. 58—64.

2. Эльтерман В. М. Воздушные завесы. М.: Машгиз, 1961.

3. Справочник проектировщика: Внутренние санитарно-технические устройства. Ч. 3. Вентиляция и кондиционирование воздуха. Кн. 1 / В. Н. Богословский, А. И. Пирумов, В. Н. Посохин и др.; Под ред. Павлова Н. Н. и Шиллера Ю. И. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1992.

4. Татарчук Г. Т. Уточнение метода расчета воздушных завес // Отопление и вентиляция промышленных и сельскохозяйственных зданий. Сб. науч. тр. № 16. Новосибирск: НИСИ, 1966.

5. Шепелев И. А. Основы расчета воздушных завес, приточных струй и пористых фильтров. М.: Стройиздат, 1950.

6. Батурин В. В. Основы промышленной вентиляции. М.: Профиздат, 1965.

7. Абрамович Г. Н. Турбулентные свободные струи. М.: Энергоиздат, 1948.

8. Бутаков С. Е. Расчет воздушных завес у ворот // Бутаков С. Е. Аэродинамика систем промышленной вентиляции. М.: Профиздат, 1949. Гл. ХI. С. 162—172.

9. Mott L. F. Design for protection by air curtain / Heating and Air Conditioning Journal. 1962. № 2.

10. Lajos T., Preszler L. Untersuchung von Torschleieranlagen // Heizung, Luftung, Haustechnik, 26. 1975, H. 5, s. 171—176; H. 6, s. 226—235.

11. Никулин М. В. Теплообмен струи воздушной завесы // Гидромеханика отопительно-вентиляционных устройств: Межвуз. сб. Казань: КИСИ, 1989.

12. Стронгин А. С., Никулин М. В. Новый подход к расчету воздушно-тепловых завес // Строительство и архитектура: Сер. изв. ВУЗов. 1991. № 1.

13. Никулин М. В., Савин В. К., Стронгин А. С. Экспериментальные исследования теплообмена струй воздушных завес // Гидромеханика отопительно-вентиляционных устройств: Межвуз. сб. Казань: КИСИ, 1991.

14. ASHRAE Handbook. HVAC Applications. 1999.

15. Industrial Ventilation. Design Guidebook. Academic press: 2001.

16. Интегрированная подсистема автоматизированного проектирования систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Воздушно-тепловые балансы промзданий. Программный комплекс «Завеса». МОФАП, 1990.

Тел.: (095) 482-41-79, 482-38-22

Примечание редакции

Сегодня наблюдается большая потребность в воздушно-тепловых завесах. Однако их применение требует значительных затрат в силу высокой энергоемкости данного оборудования. В связи с этим, в сложившейся ситуации, представляется целесообразным объединить усилия и выполнить серию специальных экспериментальных исследований.